法医病理数字化新技术的发展及在鉴定实践中的应用

陈忆九（司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海200063）



法医病理数字化新技术的发展及在鉴定实践中的应用

陈忆九
（司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海200063）

摘要：尸体解剖与组织病理学检查是法医病理学传统的、经典的技术手段，目前已不能完全满足于法医学证据科学性、客观性等方面的需求。近年来，随着计算机技术与医学影像学技术的发展，产生了虚拟解剖、多刚体仿真与有限元分析等数字化新技术，为法医病理学提供了非侵入性、直观、高精度的检验方法与研究手段，基本可实现人体损伤致伤方式重建与致伤机制分析，并可以图像及动画的形式再现损伤过程，为诉讼活动提供科学、客观的法庭证据。在综合国内外相关文献基础之上，并结合近期的研究成果，阐述数字化新技术的发展及在法医病理鉴定实践中的应用。关键词：数字化技术；法医病理学；虚拟解剖；多刚体仿真；有限元方法

在涉及损伤或死亡的案件中，法医病理学鉴定意见无疑是科学证据中的一项重要组成部分。传统的法医学鉴定手段主要依靠鉴定人在尸体解剖与组织病理学检查过程中的肉眼观察和经验判断，据此形成的鉴定意见的公正性和科学性屡受质疑，常会因证据瑕疵而引起当事方之或与办案方间的矛盾、冲突。

近年来，随着科学技术的发展，法医病理学与医学影像学、计算机仿真学等多学科融合形成了一系列数字化新技术，正在为法医鉴定技术带来革命性的突破。相比传统的技术手段，法医病理数字化技术具有非侵入性、可重复性、直观性、客观性等优势，更有利于解决案件中的关键问题，并提供科学、客观的诉讼证据，目前已经成为司法鉴定技术中的重要组成部分［1-2］。本文将立足于法医病理数字化技术的研究成果，并结合实际案例，介绍目前发展较为成熟的虚拟解剖、多刚体仿真与有限元分析等技术，以期为法医病理学发展提供支撑，使法医学证据更趋科学、严密、公正。

1　基于现代影像学的法医虚拟解剖技术

在刑事犯罪、民事纠纷、工伤事故等一切涉及法律、诉讼责任划分的死亡案件中，查明死亡原因是一切工作的立足点和出发点。法医学尸体解剖是公认明确死亡原因的根本手段与金标准。然而由于受各种客观条件的限制，某些病变通过尸体解剖并不一定能够获得足够有力的信息，并且传统的尸体解剖属于破坏性检查，数个世纪以来一直受到死者家属的抵制和反对，尤其受到一些宗教文化传统的排斥与拒绝［3］。随着CT、MRI等医学影像学技术的发展，其为法医学检验提供了一种非侵入性/极小侵入性的尸体检验途径——即法医虚拟解剖技术，该技术可以清楚观察到尸体器官、骨骼的病变和损伤情况，并可保存尸体各部位的器官图像数据，有利于后期复检和会诊，对法医学损伤探测及死因鉴定有着极大的应用价值。

法医虚拟解剖技术是指借助于现代医学影像学及计算机技术，结合解剖学原理及技术要求，对尸体进行CT/MRI扫描，以非侵入性技术或微创手段获取人体内部结构和器官组织的图像，探测人体损伤、疾病等形态学变化，为明确死亡原因及死亡方式提供依据的一种新型“解剖”手段。CT和MRI是虚拟解剖最主要的应用技术。20世纪90年代，瑞士伯恩大学法医研究所Thali博士等［1］首次提出虚拟解剖技术的概念并形成了理论体系，之后该技术受到了全球法医学界高度的关注与重视，引入了多种新兴扫描及成像技术，在法医学多个领域进行了探索性研究，取得了丰富的成果。目前虚拟解剖技术包括光学三维表面扫描、3D摄影、CT扫描、MRI扫描等，充分利用新技术与多技术融合的优势致力于死亡原因、法医病理形态学探测、生活反应、损伤重建、再现与显像等法医学重点内容。瑞士、美国、日本、英国、澳大利亚等诸多国家在损伤探测、致伤方式推断及死因鉴定方面均取得了一定的研究成果［1-2，4-6］。作为虚拟解剖技术的分支，尸体血管造影技术在法医学和病理学中同样得到广泛应用。通过将对比剂灌注入尸体循环系统内，采用特定技术进行成像，可探测尸体内血管畸形、病变以及血管破裂的形态、大小、部位，用于指导尸体解剖路径，辅助判断死亡原因［1，6］。

虚拟解剖技术相关研究在国内起步较晚，笔者所在的司法部司法鉴定科学技术研究所（以下简称“司鉴所”）是国内最早开展系统性虚拟解剖研究的机构。司鉴所自2005年起即开始进行虚拟解剖、虚拟人体生物力学研究及其他数字化技术手段的探索工作，目前已完成虚拟解剖并收集尸体影像学资料共计数百例，类型涵盖了高坠、交通事故、故意伤害（机械性损伤、机械性窒息）、烧死、溺死、电击死和医疗纠纷等多个方面，初步建立了尸体影像学数据库，并致力于推动国内虚拟解剖技术的发展［7-8］。此外，部分国内公安鉴定机构及医学院校基于尸体枪弹损伤探测及解剖学教学等目的亦开展了虚拟解剖研究工作［9-11］。目前虚拟解剖技术已被应用于国内多起特（重）大交通事故及疑难复杂案件的死亡原因鉴定与人体损伤检验中，顺利完成了死亡原因判定与致伤方式推断，科学、准确、客观的鉴定意见顺利解决了办案单位的需求，解答了死者家属的疑问，并避免了社会问题与民族问题的激化。

【虚拟解剖技术实际应用的案例】：刁某于2014年某日发生道路交通事故致头部外伤，造成额骨及蝶骨左侧骨折，后于两个月内反复左侧鼻腔出血达十余次，出血量较大，常规鼻腔填塞等止血措施效果不佳，后因突发鼻腔大出血致失血性休克死亡，本案需查明刁某鼻腔出血的确切原因。本机构在尸体解剖前对死者进行虚拟解剖及尸体血管造影术，自左侧颈总动脉向头部注射对比剂后，对尸体进行头颈部及全身MSCT扫描及三维重建。虚拟解剖结果显示死者左颈内动脉C3段造影剂漏出，左侧蝶窦内存在动脉瘤样结构。随后根据虚拟解剖探测到的病变定位，进行尸体解剖及组织病理学检查，确定了蝶窦内血管病变为假性动脉瘤，与交通事故所致头部外伤存在因果关系，死者系假性动脉瘤破裂致失血性休克死亡。本例死者血管病变位于蝶窦内，蝶窦为颅底蝶骨内部的天然腔隙，结构复杂，解剖难度大，且并非尸体解剖中的常规检查部位。而外力破坏蝶骨暴露蝶窦易损伤毗邻血管，对目标结构造成破坏，影响观察。虚拟解剖技术可在不破坏人体组织的情况下，直观、完整、多角度的对目标结构进行观察，显示效果与尸体解剖实际所见几乎无异（图1），有助于明确死亡原因，并进行责任判定。

图1　虚拟解剖与尸体解剖结果对比

2　基于多刚体动力学的法医学道路交通事故重建技术

伴随着经济的发展、交通工具种类及数量的增多，交通事故的发生率及死伤人数亦呈上升趋势，成为影响社会发展以及人民生活的重要因素，交通事故鉴定也逐渐上升为一项法医病理学的重点鉴定项目。交通事故现场重建是通过对交通事故进行现场勘查、人体损伤检验、车辆勘验等，并结合现场监控、目击者证词等综合分析以还原交通事故发生的过程。传统的交通事故重建依赖于事故分析者的专业经验、知识和空间想象力，事故再现过程仅停留于专家的判断推理，对交通参与方的交通行为方式及人体致伤过程难以进行客观、量化的还原。且由于交通事故现场证据信息存在不确定性、可移动性和信息量大等特点，用传统数据采集方法对事故进行定量分析精确度较低，诸多事故现场提供的信息不能得到有效分析和综合利用［11-12］。近年来，随着计算机硬件和数值模拟技术的发展，使通过数字化重构方法进行交通事故重建在技术上成为可能。数字摄影测量技术及多刚体动力学仿真技术可对交通事故现场进行重建，并对事故中发生的碰撞、致伤过程进行数字化仿真、模拟与可视化再现，从而辅助交通伤法医学鉴定工作的开展，提高事故鉴定的准确性、客观性和事故责任处理的公正性、科学性。

多刚体系统动力学方法是近20年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展起来的力学分支。它以多刚体为研究对象，采用平面、柱面、椭球或超椭球刚体作为单位，刚体间由各种动态铰链进行连接，并对它们进行运动学分析和动力学分析。基于多刚体动力学的交通事故重建主要是对交通事故进行碰撞轨迹分析及运动学的模拟，运用相关计算机软件，通过对交通事故中车辆、人员等元素进行多刚体建模，进行碰撞仿真试验，并求解仿真系统内模型的运动学响应，研究事故发生前、后车辆及人员的运行速度与轨迹，预测涉事人员与车辆在交通事故中的运动状态［13］。

自20世纪70年代开始，美国、欧洲、日本和澳大利亚等地的研究机构利用多刚体动力学方法进行车辆碰撞试验和乘员保护装置的冲击试验，对车辆在碰撞事故中的结构变形、耐撞性以及安全性等问题展开仿真分析，揭示车内人员的损伤机制，制定损伤评价标准，并对车辆设计提出改进意见。自21世纪初期起，欧美研究机构开始利用多刚体行人和车辆模型重建真实道路交通事故，模拟汽车-行人碰撞，再现交通伤致伤过程，判断行人姿势、车辆的碰撞速度和制动状态等，并分析车型、行人体形、初始姿态、车辆制动状态等因素对碰撞后行人抛距、抛落位置及人体损伤的影响［14-7］。

国内多刚体交通事故仿真模拟研究起步较晚，有关汽车-行人碰撞事故的数字化再现研究主要在2002年以后展开，清华大学、吉林大学、湖南大学、第三军医大学等研究机构通过自主构建或应用商业模型，进行真实案例的汽车-行人碰撞事故再现，研究内容包括车速与人体抛距之间的关系，不同车速、不同车型结构造成车外人员损伤的特点，并结合人体损伤指标探讨了车外人员防护的可能性［18-21］。

2007年司鉴所与上海交通大学合作，率先在国内利用多刚体动力学法进行多种类型的法医学交通事故重建研究。利用MADYMO、PC-CRASH、LSDYNA等碰撞软件，对事故中涉案的人、车、道路等建立符合实际尺寸的数字模型，结合事故现场有效参数和专家经验，对事故发生过程进行动态再现。重建的交通事故中，涉事车辆包括汽车、摩托车、自行车等，事故类型包括车-车碰撞、车-人碰撞及单车事故等［22-3］。将研究成果应用于鉴定实践，目前司鉴所已完成了40起不同交通事故碰撞过程的可视化再现，通过重建还原事故发生时各涉事人员所处的位置和交通状态，对汽车内人员的驾乘关系、摩托车类两轮车上人员的司乘关系、行人交通状态的认定、自行车骑行状态的认定、车辆是否碾压人体等关键事实进行认定，从而帮助交警、法院等办案单位更为准确、细腻地进行责任划分。

【多刚体仿真技术实际应用的案例】：两男子合骑一辆二轮摩托车在行驶过程中追尾一行驶中的小客车，致摩托车上两人一死一伤，本案需对摩托车上两人的驾乘关系进行鉴定。首先进行车辆勘验及人体损伤检验，根据车辆损坏部位及人体损伤部位、性质初步确定摩托车上两人与小客车的接触部位。随后利用多刚体动力学分析软件，构建包括人、车、道路在内的仿真模型，进行参数设置后模拟碰撞全过程，并依据车辆、人体损伤情况及事发现场人、车位置等信息对模拟结果进行迭代修正。最终依据现场、人、车检验所见及多刚体仿真结果综合分析判断，伤者为摩托车驾驶员，死者为后座乘员（图2）。本例摩托车上两人一死一伤，需鉴定驾乘关系，考虑到伤者可能存在推卸责任的情况，其口供的真实性存疑，故需借助一种科学的鉴定手段，依据交通事故现场的客观信息对碰撞过程进行还原，确定驾乘位置，划分事故责任。运用多刚体仿真技术对交通事故在时-空-力上进行重建，从受力-变形-损伤的角度阐明交通伤致伤方式及损伤机制，所形成的证据在科学性、直观性及说服力方面都有较大的突破。

图2　交通事故多刚体动力学仿真结果

3　基于有限元方法的法医损伤生物力学分析技术

人体损伤是法医病理实践中最常见的内容。鉴于损伤的致伤物种类繁多、机械作用力的形式各异以及人体组织结构的差别，使得人体损伤的鉴定始终是法医学鉴定中最困难、最复杂的问题之一。传统法医病理学对于人体损伤的分析，主要凭肉眼观察、尸体解剖、光学显微镜观察加上经验判断等方法，主观随意性较强，对于损伤的认识多局限于损伤形态学［13］。

随着医学影像学技术和计算机技术的发展，法医病理数字化新技术为探讨损伤形态和碰撞损伤生物力学开辟了一条新途径。与上述虚拟解剖、多刚体动力学仿真技术一同发展的还有有限元分析技术。该技术方法的基本思想是将需计算的几何结构进行有限单元划分，通过对各个单元内的场函数进行计算，计算结果通过方程组整合后用来描述整个结构的情况。人体组织器官通过三维建模和单元离散，最终形成人体有限元模型，在给定边界条件、载荷和材料属性后，模拟人体组织受到外力作用，经计算机计算后得到人体模型的位移、应力、应变等生物力学指标的大小、分布与变化情况，从而重建和预测可能发生的损伤部位、损伤形态及损伤程度，进行损伤鉴别与致伤方式推断，为法医损伤鉴定提供参考依据。

自20世纪70年代起有限元方法便被应用于人体头部、脊柱等部位的建模与损伤生物力学研究中，研究范围逐渐扩展至骨盆、胸廓、四肢骨关节等结构。除骨骼系统外，心血管、眼球、胃肠道、肺、肝、肾、甚至胎盘等部位均已构建了有限元模型并进行了损伤分析。目前有限元建模与分析方法在下列常见损伤的生物力学研究中已取得了一定的成果，包括头部发生加速/减速及旋转运动时形成的损伤，胸腹部受到外力作用时造成的体内脏器及血管的损伤，以及外界暴力作用导致的胸廓、脊柱、骨盆、四肢骨关节及附属结构的损伤［13，24-27］。

有限元建模与人体损伤相关研究国内起步较晚，近年来才陆续有研究成果报道，主要集中在工程与材料力学领域、交通伤防范和临床创伤研究领域。南方医科大学、第三军医大学、上海交通大学等开展数字化虚拟人计划，应用于医学研究、临床治疗及教学，取得了相应的研究成果。湖南大学、天津科技大学等各自开展了人体生物力学模型研究计划，用于模拟交通事故中车辆与人体不同部位的碰撞，进行数值响应分析及人体损伤致伤机制研究［28-9］。此外，基于武器损伤保护研究需要，国内相关机构在胸部有限元建模与损伤分析方面亦开展了相关研究［30-1］。但上述研究工作的关注重点与法医学研究中注重的损伤形态、损伤机制及损伤生物力学分析等存在一定的差距。

自2009年起，司鉴所在国内率先将有限元方法应用于法医损伤学研究，组建了自影像学数据采集至有限元建模与计算的一站式软硬件工作平台，并根据人体MSCT扫描数据自主构建了包括颅骨、胸廓、肝脏、骨盆、膝部、下肢及躯干部等多部位有限元模型。模型经过验证后加载不同类型的外力载荷，模拟法医学实践中常见的撞击、摔跌、碾压等机械性损伤，采集人体结构静态和动态响应信息，结合损伤指标，从生物力学角度对损伤形态、损伤成因进行论证与解释。目前相关研究成果在实际案件鉴定中发挥了重要的作用，利用有限元模型对案件中可疑的致伤方式进行模拟，预测损伤发生的部位、形态，经与真实人体损伤进行比对并结合法医学专家经验判断，做出倾向性与排除性意见，进行损伤鉴别，并为法庭科学举证，已顺利完成多起国内重大、疑难案件中致伤方式的认定［32-4］。

【有限元分析技术应用于鉴定实践的案例】：老年女性王某在翻越马路中央隔离带后跌倒在车道上，造成膝部损伤。王某称跌倒前曾遭小轿车撞击，司机称轿车未与王某发生接触，王某系自行摔倒，双方各执一词。王某下肢损伤致伤方式的法医学鉴定意见即成为本案的关键证据之一。由于缺乏明确的体表损伤检验及车辆勘验信息，仅有事发后王某双下肢的CT数据，采用传统的法医病理学鉴定手段无法明确致伤方式，案件虽经多次诉讼仍悬而未决。根据王某健侧下肢CT数据构建直立位人体膝部有限元模型，设定保险杠从正外侧、侧后方及侧前方以不同速度撞击膝部，模拟人-车碰撞过程；构建屈曲位人体膝部有限元模型，设定小腿正前方与外侧方分别以不同速度与地面接触撞击。依据接触部位的应力、接触力等响应情况分析损伤机制，预测损伤形态、范围与程度。模拟结果显示，保险杠于后外侧及正外侧直接撞击作用下更易形成胫骨平台及腓骨小头的损伤，与王某实际损伤形态较为一致。胫骨前侧与前外侧直接摔跌形成的损伤部位与形态与王某实际损伤不一致（图3～5）。本例在案发时间久、案件客观信息缺乏的情况下，运用有限元建模与分析技术对下肢损伤的致伤方式进行鉴定，给出了倾向性意见，解决了由于缺乏证据多年来悬而未决案件的关键技术性问题，对案件审判起到了推动作用，对维护社会和谐、实现司法公正起到了促进作用。

图3　伤者CT数据三维重建结果

图4　屈曲位与直立位膝部有限元模型

图5　膝部遭车辆撞击与摔跌有限元模拟结果

4　展望

随着现代医学影像学及计算机技术的发展，由此催生出的法医病理数字化新技术为人体死亡原因及损伤致伤方式的鉴定与研究开辟了一条新途径，极大的促进了法医学的发展。通过虚拟解剖技术，可以清楚地探测到人体损伤，并对损伤情况进行有效评价；通过多刚体动力学仿真技术，可以有效地进行道路交通事故重建，还原真实事故的发生情况与人体损伤致伤方式；通过有限元建模与分析技术，可以从生物力学角度对损伤进行动态、定量地分析，预测损伤部位，并观察损伤的发生与发展过程。所形成的电子化证据可以图像的形式、动态的效果展现，清晰明了、通俗易懂，便于诉讼过程中涉及的非法医学人员进行理解，极大地提升了案件的鉴定品质。鉴于上述多种数字化技术的原理、设备及关注点存在差异，联合应用多种数字化技术，进行优势互补，已成为国际法医学领域的研究热点与发展趋势。

目前法医病理数字化技术仍处于发展阶段，本文介绍的虚拟解剖、多刚体仿真及有限元分析等技术均存在一定缺陷与技术盲点，数字化技术尚不能完全替代传统的法医学鉴定与研究手段。但不容置疑的是数字化方法在法医学鉴定与研究中的重要性将越来越突出，将数字化技术与传统鉴定手段相结合，形成包括专家体系、数据信息体系及计算机体系的损伤分析新模式，保障法医学鉴定及所形成的科学证据的严谨性、客观性和准确性。

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（本文编辑：秦志强）

The Development and Application of New Digital Techniques in Forensic Pathology

CHEN Yi-jiu
（Shanghai Key laboratory of Forensic Medicine，Shanghai Forensic Serrice Platform，Institute of Forensic Science，Ministry of Justice，P.R. China，Shanghai 200063，China）

Abstract:The traditional methods of forensic pathology，such as autopsy and histopathological examination，sometimes can not provide completely scientific and objective forensic evidence. With the development of computer and medical imaging technology，some emerging digital techniques，such as virtopsy，multi-body dynamic simulation and finite element method，have made the body examination and research of forensic pathology to be non-invasive，easily observed and more accurate. These techniques could help to achieve human body injury re-construction and injury mechanism analysis，and represent the damage process by graphics and animation，thus providing scientific and objective forensic evidence. In this paper，the development and application of these new techniques in forensic pathology are elaborated，according to the literature and the research results of the Institute of Forensic Science，Ministry of Justice，China.

Key words:digital technology；forensic pathology；virtopsy；multi-body dynamic simulation；finite element method

中图分类号:DF795.4

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-2072.2016.03.011

文章编号：1671-2072-（2016）03-0064-08

收稿日期：2016-04-03

基金项目：国家自然科学基金项目（81273338，81571851）；上海市科技攻关项目（14231202500）；上海市法医学重点实验室资助项目（14DZ2270800）；上海市司法鉴定专业技术服务平台资助项目（16DZ2290900）

作者简介：陈忆九（1962—），男，研究员，博士研究生导师，主要从事法医病理学研究。E-mail:chenyj@ssfjd.cn。